復合生物過(guò)濾技術(shù)在水產(chǎn)養殖廢水處理中的應用研究進(jìn)展

生物過(guò)濾(Living BiologicalFiltration)是指任何采用活體生物去除水中雜質(zhì)的廢水處理技術(shù)，主要包括植物過(guò)濾、微生物過(guò)濾、動(dòng)物過(guò)濾等。目前集約化水產(chǎn)養殖水處理中使用最廣泛的是微生物過(guò)濾，即各種類(lèi)型的生物膜濾器。傳統的生物膜濾器因具有產(chǎn)生污泥少、運行管理方便、動(dòng)力消耗少等特點(diǎn)，在水產(chǎn)養殖廢水處理中得到了廣泛應用。但生物膜濾器存在生物膜熟化時(shí)間長(cháng)，需要定期反沖洗，容易造成硝態(tài)氮積累等缺點(diǎn)。植物濾器結構簡(jiǎn)單，可以有效吸收養殖廢水中溶解態(tài)的氮、磷污染物，并將其轉化為經(jīng)濟產(chǎn)品，但是單獨使用對養殖廢水中有機物去除效率較低。濾食性動(dòng)物可以有效去除養殖水體中的顆粒物質(zhì)。大型海藻過(guò)濾、生物膜過(guò)濾和動(dòng)物過(guò)濾復合處理養殖循環(huán)水技術(shù)通過(guò)優(yōu)勢互補，達到水質(zhì)凈化和廢物綜合利用的目的。我國在該領(lǐng)域的研究還為數不多。

1復合生物過(guò)濾技術(shù)的原理

植物過(guò)濾是指通過(guò)水生植物對污染物的吸收、降解、轉移等作用，達到減少或最終消除養殖循環(huán)水污染的目的，使循環(huán)水得到凈化。如常用的作為植物濾器的大型藻類(lèi)通常生命周期長(cháng)、生長(cháng)快，能通過(guò)光合作用吸收水體中溶解態(tài)的氮、磷等營(yíng)養物質(zhì)來(lái)合成自身，有效降低養殖水體中的氨氮含量。對大型海藻化學(xué)成分的分析表明，大型海藻組織中具有豐富的氮庫，可以有效吸收、存儲大量的營(yíng)養鹽，而且大型藻類(lèi)吸收氨對光照的要求較低，更有利于其對富營(yíng)養水體中氨的去除和吸收。當這些海藻收獲時(shí)，營(yíng)養鹽就從循環(huán)系統內部轉移到系統外部，將環(huán)境污染物轉化為海藻產(chǎn)品。因此，該技術(shù)具有低成本、低能耗等優(yōu)點(diǎn)。諸多研究表明，水生植物還能有效增加養殖水體的溶解氧，并可回收植物產(chǎn)品作為養殖生物的餌料，大大增加了水產(chǎn)養殖系統的生產(chǎn)率。但單獨利用水生植物凈化養殖水體，有機物的去除效率比較低。

微生物濾器能將水中有機物和氨氮分別降解、氧化為毒性相對較低的硝酸鹽，使養殖水體得到一定程度的凈化，但不會(huì )將溶解態(tài)的氮從封閉養殖系統中去除，而是將氨氮轉化為硝酸鹽，從而導致硝酸鹽的大量積累。據報道，水中硝酸鹽的積累會(huì )影響?hù)~(yú)體的滲透壓和血細胞的運氧能力，特別是引起魚(yú)體色澤和肉質(zhì)下降，而且富含硝酸鹽的養殖廢水直接排放，還會(huì )造成水體富營(yíng)養化。

動(dòng)物過(guò)濾是指濾食性動(dòng)物在養殖系統中通過(guò)濾食水中的顆粒態(tài)物質(zhì)，從而起到凈化水質(zhì)的作用。雙殼貝類(lèi)具有很強的濾水能力，如扇貝、貽貝、文蛤和牡蠣的濾水率均可以達到5 L/(g·h)。腐屑食性的魚(yú)類(lèi)通過(guò)攝食養殖過(guò)程中產(chǎn)生的大顆粒殘餌及底質(zhì)中的有機質(zhì)而成為水產(chǎn)養殖環(huán)境清潔者。此外，海綿也有很高的濾水率，它們能夠過(guò)濾大量細小的顆粒物質(zhì)，包括浮游植物、浮游動(dòng)物、微生物、有機碎屑等，使養殖循環(huán)系統有機物負荷大大降低。

復合生物過(guò)濾技術(shù)根據生態(tài)學(xué)中的食物鏈關(guān)系，最佳配置生物種群，使環(huán)境資源得以充分利用，增加系統生產(chǎn)力，并將系統中的營(yíng)養鹽、有機物等廢棄物最大限度地轉化為環(huán)境友好型產(chǎn)品。復合生物過(guò)濾技術(shù)是遵循生態(tài)學(xué)原理的工廠(chǎng)化水產(chǎn)養殖工藝設計。

2復合生物過(guò)濾技術(shù)凈化養殖水體研究

2.1復合生物過(guò)濾技術(shù)的種類(lèi)

目前復合生物過(guò)濾技術(shù)主要有大型海藻+微生物過(guò)濾，水草+濾食性動(dòng)物(貝類(lèi)、海綿等)過(guò)濾，以及人工濕地過(guò)濾技術(shù)。就植物濾器的選擇而言，對營(yíng)養物的吸收能力、生長(cháng)速度和經(jīng)濟價(jià)值是需要考慮的主要因素。動(dòng)物濾器選擇的標準有動(dòng)物的顆粒物去除效率、生長(cháng)速度、經(jīng)濟價(jià)值高低等。動(dòng)物濾器主要有濾食性的貝類(lèi)，如牡蠣、扇貝、文蛤、貽貝等;腐屑食性魚(yú)類(lèi)，如梭魚(yú);此外還有最新研究證實(shí)的海綿也可以作為動(dòng)物濾器，用于水產(chǎn)養殖的廢水處理。

2.2復合生物過(guò)濾技術(shù)在水產(chǎn)養殖廢水處理中的特點(diǎn)

復合生物過(guò)濾技術(shù)具有以下特點(diǎn): (1)提高水產(chǎn)養殖廢水中氨氮和有機物的去除效率，彌補使用單一生物濾器的缺點(diǎn)。如微生物濾器生物膜成熟時(shí)間長(cháng)，需要定期進(jìn)行反沖洗，此時(shí)植物濾器可以替代其功能保持系統的正常運轉。(2)提高閉合水產(chǎn)養殖系統的生產(chǎn)力。利用復合生物過(guò)濾技術(shù)凈化養殖廢水具有相當大的潛力，因植物和動(dòng)物的收獲會(huì )產(chǎn)生一定的經(jīng)濟效益和生態(tài)效益，最大限度地將投入系統的餌料轉化為環(huán)境友好的水產(chǎn)品。(3)實(shí)現真正意義上的“養殖污水零排放”，成功解決養殖循環(huán)系統中硝酸鹽的積累問(wèn)題。(4)同時(shí)為養殖循環(huán)水提供新鮮氧氣，減少能源消耗，有助于降低生產(chǎn)成本。因此，復合生物過(guò)濾技術(shù)在水產(chǎn)養殖水處理中具有廣闊的應用前景。

2.3復合生物過(guò)濾技術(shù)在工廠(chǎng)化和池塘水產(chǎn)養殖中的應用

2.3.1植物濾器與微生物濾器聯(lián)合使用復合生物過(guò)濾技術(shù)在養殖循環(huán)水系統中已有了一些研究，取得了較好的效果。一般將植物濾器和微生物濾器復合使用。如利用大型海藻(孔
石莼養殖密度1.0 g/L)與微生物復合生物過(guò)濾技術(shù)對養魚(yú)循環(huán)水體的凈化效果表明，由微生物和大型海藻濾器組成的復合生物過(guò)濾系統對鮑魚(yú)循環(huán)水體中氨氮和有機物的去除率分別保持在80%和40%以上，并且對鮑魚(yú)養殖水體溶氧和pH值有良好的調節和改善作用。采用水產(chǎn)養殖機械—細菌—草綜合水處理系統養殖淡水白鯧，牧草的凈化使主要污染物去率達到了90%。利用石莼生物濾器可吸收養殖過(guò)程中產(chǎn)生的50%以上的可溶性氮。大型植物濾池和固定生物膜濾池的復合生物過(guò)濾技術(shù)用于鮑魚(yú)循環(huán)養殖系統水處理，植物(孔石莼)濾器對養殖水體中總氨氮(TAN))具有很高的吸收效率，從而降低了硝化濾器的硝化負荷，大大減少了TAN、NO2-N、NO3-N和COD的積累。

2.3.2動(dòng)物濾器與植物濾器或微生物濾器聯(lián)合使用

將植物濾器和動(dòng)物濾器復合使用的生物過(guò)濾技術(shù)也有研究。大型海藻海帶和石莼與牡蠣組成的復合生物過(guò)濾器，在海帶養殖密度7.5 g/L、石莼養殖密度2 g/L、牡蠣的放養密度為
1 000 g/20 L條件下，對養殖廢水中氨氮去除率達到67.1%，對懸浮顆粒物的去除率達到了82.5%;海帶與牡蠣組成的復合生物濾器對氨氮去除率達到46%，對懸浮顆粒物的去除率達到了84.5%。大型海藻和微生物制劑在池塘水產(chǎn)養殖也有應用。利用微生物、底棲濾食性貝類(lèi)、大型藻類(lèi)復合生物過(guò)濾技術(shù)控制養殖池污染，微生物制劑質(zhì)量濃度達到6mg/L時(shí)，即可顯著(zhù)降低池塘底泥的自污染速率，底泥中總氮積累速率僅為對照組的45.4%，對蝦存活率提高53.25%。將龍須菜與貝類(lèi)混養，結果發(fā)現加入大型藻的文蛤養殖系統中氨氮、亞硝酸鹽、磷酸鹽的含量顯著(zhù)降低，大型藻和文蛤的生長(cháng)率也有所提高。毛玉澤等人也證實(shí)使用龍須菜作為生物濾器可以去除混養系統中氨氮的46.6% ~83.7%。岳維忠等用蠣菜(Ulva conglobata)和草葉馬尾藻(Sargassum graminifolium)進(jìn)行了NH4-N濃度梯度試驗，在養殖水體模擬系統中加入蠣菜，對NH4-N及PO4-P有明顯吸收效果。宮西尚一研發(fā)出一種使用“特殊生物包”的封閉式循環(huán)水海水無(wú)脊椎動(dòng)物養殖系統，在該系統中，海產(chǎn)動(dòng)物與多毛類(lèi)動(dòng)物、微生物、藻類(lèi)之間形成了食物鏈關(guān)系。多毛類(lèi)動(dòng)物(沙蠶等)對海產(chǎn)動(dòng)物(海膽、海參、魁蛤、文蛤等)的殘餌和糞便起凈化作用，對養殖生物有毒的氨氮經(jīng)由微生物的硝化作用變成了無(wú)毒的硝態(tài)氮，而硝態(tài)氮是藻類(lèi)的營(yíng)養物質(zhì)。線(xiàn)薇薇等發(fā)現梭魚(yú)對養殖環(huán)境中顆粒態(tài)有機
氮的清潔能力。

2.3.3復合生物過(guò)濾技術(shù)初步研究

劉長(cháng)發(fā)等[21]設計了包括沉淀池、水力旋流器、微生物濾器(硝化濾器)、大型海藻(孔石莼)濾器和紫外消毒裝置為主要處理單元的牙鲆魚(yú)養殖循環(huán)系統。魚(yú)池和藻池水體積均為1.5 m3，水力停留時(shí)間5.6 h。試驗進(jìn)行9 d，氨氮質(zhì)量濃度維持在0.3 mg/L以下，亞硝酸鹽質(zhì)量濃度在0.2 mg/L以下，微生物濾器—大型海藻復合生物過(guò)濾技術(shù)可以有效地控制氨氮的含量，將氨氮最終轉化為海藻產(chǎn)品。結合斜板式沉淀池、水力旋流器和紫外消毒設備，復合生物過(guò)濾技術(shù)在養殖循環(huán)系統中的應用達到了更高的污染物去除效率。

2.4復合生物過(guò)濾技術(shù)發(fā)展新趨勢

除了濾食性貝類(lèi)可以用于養殖廢水顆粒有機物的去除，還有人嘗試了新的物種作為動(dòng)物濾器去除水中的顆粒物。如繁茂膜海綿具有很強的濾食水產(chǎn)養殖廢水中顆粒態(tài)殘餌的能力，由于海綿的濾食作用，海水中餌料顆粒物含量隨時(shí)間延長(cháng)而呈指數曲線(xiàn)降低。不僅如此，繁茂膜海綿還具有濾食養殖水體中大腸桿菌和弧菌的能力。經(jīng)24 h處理后，海水中總大腸菌群和弧菌的數量分別比初始數量降低55.1% ~91.3%和55.7% ~96.3%。這些研究表明，養殖循環(huán)水處理正在朝著(zhù)生態(tài)型、環(huán)境友好型方向發(fā)展，處理效率逐漸提高，系統越來(lái)越穩定。

3結語(yǔ)

隨著(zhù)對養殖循環(huán)水處理技術(shù)的發(fā)展，單一的或者2種水處理技術(shù)簡(jiǎn)單組合已不適應水產(chǎn)養殖廢水處理的需要。設計低成本、低耗能、高凈化效率的符合生態(tài)學(xué)原理的水處理工藝，達到養殖廢水的重復利用和對環(huán)境的無(wú)污染是今后養殖廢水處理的發(fā)展方向。這些處理技術(shù)將更加強調生態(tài)系統中生產(chǎn)者、消費者、分解者之間動(dòng)態(tài)和合理的平衡，進(jìn)一步挖掘生物作用的潛力。復合生物過(guò)濾技術(shù)從“變廢為寶”的角度出發(fā)，“治”“用”結合，是現代農業(yè)綜合利用和可持續發(fā)展思想的體現，是對水產(chǎn)養殖污水處理方式的重要補充和發(fā)展。
復合生物過(guò)濾技術(shù)在我國還處于起步階段，缺乏系統的研究資料和成果，其中各種生物濾器之間參數的優(yōu)化組合、養殖循環(huán)系統脫氮技術(shù)等需要進(jìn)一步研究。